010800邵嘉澍大作业.docx

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010800邵嘉澍大作业

《状态监测与故障诊断》

课程报告

班级：

机械11-2

学号：

2011010800

姓名：

邵嘉澍

2014年1月5日

摘要

作为本学期状态监测与故障诊断学习的一部分，在5-14周的周三我们分别做了以齿轮箱为测试对象，掌握机械设备运行状态的测试方法，采集齿轮箱的运行振动信号；在不同的工况下利用实验气体管道进行泄漏测试，采集的泄漏声波信号，对声波信号能量的分布特点进行分析，掌握泄漏孔径及压力变化对泄漏声波声强级的影响；以轴承为测试对象，掌握机械设备运行状态的测试方法，采集轴承的运行振动信号。

同时每周的周一进行了上机实验进行相关的数据处理，加深对各种机械故障的理解。

在整个实验过程中，学习常用故障诊断与状态监测方法；了解齿轮箱、管道和轴承的结构特点及工作机理；掌握齿轮箱、管道泄漏及轴承的故障形式及检测方法；并学会用matlab处理数据和绘图学会运用时域信号、时域特征提取；信号的降噪；频域分析等方法的使用。

关键词

齿轮箱轴承管道小波变换快速傅里叶变换故障振动特征分析

第一章绪论

1.1课程意义

随着时代的发展，现代工业逐渐向生产设备大型化、连续化、高速化和自动化方向发展，在提高生产率，降低成本，节约能源和人力，减少废品率，保证产品质量等方面有很大的优势。

但从另一方面来看，由于机械设备发生故障而停工造成的损失却成比例的增加，维修费用也大幅度的上升。

另外，某些现代尖端设备或结构一旦发生故障还可能招致重大事故。

诚然，要求机械设备不出故障是不现实的，绝对安全可靠的机械设备也是根本不存在的。

因此，只能从预防故障和减少损失的角度出发，及时发现设备的异常，掌握设备的运行状态，把握它的发展趋势，对已经形成的或正在形成的故障进行分析诊断，判断故障的部位和产生的原因，并及早采取有效的措施，作到防患于未然。

设备状态监测与故障诊断技术就是为了适应这一需要而发展起来的一门新兴的交叉学科。

我国在这方面的研究和应用相对较晚，20世纪80年代才开始着手组建状态监测与故障诊断的研究机构，其发展也经历了从简易诊断到精密诊断，从一般诊断到智能诊断，从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度也愈来愈快。

与国外发达国家相比，我国虽然在理论上跟踪较紧，但就总体而言，在机械设备诊断的可靠性等方面仍有一定差距。

经过30多年的发展，作为新兴的综合性边缘学科，机械设备状态监测与故障诊断技术己初步形成了比较完整的学科体系；就其技术手段而言，己逐步形成以振动监测诊断、油样分析、温度监测和无损检测探伤等为主的新技术、新方法不断兴起和发展的局面。

随着科学技术不断发展，机械设备越来越复杂，自动化水平越来越高，设备在现代工业生产中的作用和影响越来越大，设备维修费用也越来越高。

设备运行中发生任何故障或失效不仅影响生产，造成重大经济损失，甚至还可能导致灾难性的人员伤亡和恶劣的社会影响。

设备状态监测与故障诊断是通过掌握设备过去和现在运行中或在基本不拆卸的情况下的状态量，判断有关异常或故障的原因并预测对将来的影响，从而找出必要对策的技术。

它在动态情况下，利用机械设备劣化进程中产生的信息（如振动、噪声、压力、温度、流量、润滑状态及其他指标等）来进行状态分析和故障诊断，涉及传感器及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、计算机技术以及人工智能、专家系统等多种基础学科和技术学科，是这些理论的综合应用。

1.2报告来源

本学期我们学习了状态监测与故障诊断这门课程，对这方面的理论有了一些初步的了解。

结合老师在学习初期讲授的理论知识，我们在上机过程中对实验得到的结果进行了分析。

在本学期的第5周到第7周的时间里，我们分别进行了齿轮箱故障模拟实验。

具体实验名称分别为：

轴松动故障数据采集，轴不对中故障数据采集以及轴承加载数据采集。

然后在第8周到第10周的时间里我们进行了管道泄漏的模拟实验。

在三次实验中，测点与泄漏点之间的距离各不相同，分别为2m、1m、0.5m。

在第11周和第12周两周的实验中，我们观看了轴承故障模拟实验的过程，实验老师也为我们讲解了一些有关轴承方面的基本知识。

在最后两次实验中，由于之前测得的实验数据不太准确，老师又为大家安排了一次齿轮箱故障模拟实验和管道泄漏模拟试验。

文章所用的设备故障数据来源于实验课与同学所做的实验，以老师上课所讲授的振动诊断理论为基础，结合上机课老师讲授的有关利用MATLAB进行数据处理的知识，分析设备所产生的故障类型。

1.3本文研究目的

一通过监测与诊断系统能了解被监测系统的运行状况,保证其运行状态在设计约束之内。

通过监测与诊断系统对机械设备进行连续监测,可在任何时候都能很好的了解设备的运行状态,同时对于机器运行的异常,监测人员能够及时采取补救措施。

例如监测系统温度可以防止过热损伤,监测位移可以防止构件之间的运动干涉,监测振动和速度可以保证力不超过极限。

二监测与诊断系统测量所得到的信息能提供机器状态的准确描述,为设备的维修和大修内容以及维修周期的确定提供依据,从而避免了为进行肉眼检查而拆卸设备,既保证了机器在满意状态下的完整性,又提高了设备的使用效率。

第三能预报机器故障,防止大型事故的发生,保证生命财产安全。

当设备发生故障时,监测与诊断系统可根据预先编制好的程序发出报警,并对不同类型故障及性质和严重程度做出相应的判断与诊断,供技术人员参考,操作人员可依据系统提示采取相应措施或是对设备实行某种控制,避免或减轻由此所造成的损失。

三能及时地、正确地对各种异常状态和故障状态作出诊断预防或消除故障对设备的运行进行必要的指导提高设备运行的可靠性、安全性和有效性以期把故障损失降低到最低水平。

保证设备发挥最大的设计能力制定合理的检测维修制度以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力延长服役期限和使用寿命降低设备全寿命周期费用。

通过检测监视、故障分析、性能评估等为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。

总起来说,设备故障诊断既要保证设备的安全可靠运行又要获取更大的经济效益和社会效益。

对生产单位配置故障诊断系统能减少事故停机率具有很高的收益投资比。

对生产单位配置故障诊断系统能延长设备检修周期缩短维修时间为制定合理的检测维修制度提供基础极大地提高经济效益。

宏观上从全社会生产的角度看花费的设备维修费用是一笔巨大的数目而实施故障诊断带来的经济效益是巨大的。

我国的情况是年我国国营工交企业有万个以上总固定资产约亿元每年用于设备大修、小修及处理故障的费用一般占固定资产原值的。

采用诊断技术改善设备维修方式和方法后一年取得的经济效益可达数百亿元。

从上面的分析可以看出设备故障诊断技术在保证设备的安全可靠运行以及获取很大的经济效益和社会效益上其意义是十分明显的。

1.4本文主要研究内容

为实现三类典型设备的主要故障诊断，结合课堂老师所讲内容和实验总结，本文主要做了以下三项工作：

（1）对常见的数据处理方法的理论进行了简单介绍。

（2）对故障实验过程做了简单的介绍。

（3）对实验数据进行了处理，并分析出设备存在的主要故障。

第二章故障基本形式及振动信号特征

2.1齿轮传动装置故障基本形式及故障特征

齿轮传动的的故障一般主要是轮齿部分，其故障的类型是多种多样的，常见的有轮齿折断、齿面磨损、点蚀、胶合、以及塑性变形等。

1、轮齿折断

主要是由于齿根处的弯曲应力过大、加工时的刀痕以及齿根圆和轮齿处表面的突变引起的应力集中造成的。

另外，齿轮传动的负载突然变化也会导致轮齿折断，还有齿轮的长期工作，产生疲劳裂纹也会导致轮齿疲劳折断。

2、齿面磨损

这种故障主要是跟齿轮的工作环境十分相关的失效形式。

例如开始齿轮传动由于传动系统中进入杂物落到齿面上，齿轮在啮合的过程中就会形成磨粒磨损。

另外，传动系统的润滑不清洁、过载也会导致齿面的磨损。

3、齿面点蚀

这是齿面疲劳破坏的主要现象之一，主要形成原因是齿轮齿面硬度低、过载或载荷不均等。

其主要避免方法是增加齿面硬度，改善润滑条件以及工作环境，另外避免过载和载荷不均，也能延缓点蚀现象的发生。

4、齿面胶合

这种故障主要是发生在高速重载的齿轮传动中。

如果高速运行的齿轮，润滑效果差，就会引起齿面胶合，还有一些原因如：

齿面硬度低、过载也会引起这种故障。

5、塑性变形

这种故障主要是由于齿轮传动过程中应力过大，齿面硬度低造成的。

齿轮偏心故障特征：

（1）时域波形在基频正弦波上附加了2倍频的谐波。

（2）轴心轨迹图呈香蕉形或8字形。

（3）频谱特征主要表现为径向2倍频、3倍频振动成份，有角度不对中时，还伴随着以回转频率的轴向振动。

2.2滚动传动装置故障基本形式及故障特征

轴承是机械中的固定机件，当其他机件在轴上彼此产生相对运动时，用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件，就称之为轴承。

轴承是各种机电设备中的重要组成部分，在各个机械部门有着广泛的应用。

轴承是旋转机械最重要的零部件之一，也是旋转机械中的易损零件。

据统计，旋转机械的故障有30%是由轴承故障引起的，轴承的故障会导致机器剧烈振动和产生噪声，甚至会引起设备的损坏。

因此，对滚动轴承故障的诊断分析，在生产实际中尤为重要。

滚动轴承常见的失效形式有磨损失效、疲劳失效、断裂失效、压裂失效、压痕失效及胶合失效，本文主要讨论疲劳失效。

正常状态下的滚动轴承其振动波形有两个特点，其一是无冲击；其二是变化慢。

当滚动轴承的内环、外环、滚珠发生故障时，其振动时域波形将发生明显的冲击。

轴承内环发生故障，即内环的某个部分存在剥落、裂纹、压裂、损伤等的振动波形如图2-1所示。

图2-1内环存在点蚀的振动

滚动轴承通常都有径向间隙，且单边受载，根据点蚀部分和滚动体发生冲击的位置不同，振动的振幅会发生强弱变化，其中多数旋转频率和滚动体的公转频率振幅调制有关，其中最主要的还是通过频率对固有频率的脉冲调制。

轴承外环有表面剥落时，其振动时域波形如图2-2所示。

如果在外环上发生点蚀时，点蚀的位置和承载方向之间的位置关系是一定的，所以与其振幅调制无关，主要是脉冲调制。

图2-2外环存在点蚀的振动

滚动体有表面剥落时的时域波形如图2-3所示。

图2-3滚动体存在点蚀的振动

2.3管道泄漏基本形式及故障特征

当天然气管道发生泄漏时，管道内高压气体从泄漏孔高速喷出形成喷流，并产生喷注噪声，属于有源的连续声发射信号。

安装在管道两端传感器可以检测到以一定速度沿管壁传播的喷注噪声，对管道两端采集的声波信号进行信号处理可以得到因传播距离不同而产生时间差，结合波速可以进行泄漏定位，定位原理示意图如图所示。

图2-4声波法泄漏定位示意图

图中，L为传感器间距，x为泄漏孔到传感器A的距离。

当泄漏发生时，泄漏处因流体物质损失而引起,局部流体密度减小，产生瞬时压力降低和速度差，该瞬时的压力下降以声速向泄漏点的上下游传播。

第三章故障诊断信号分析方法

机械信号是指机械系统在运行过程中各种随时间变化的动态信息，经各种测试仪器拾取并记录和存储下来的数据或图像。

机械设备是工业生产的基础，而机械信号处理与分析技术则是工业发展的一个重要基础技术。

机械信号处理是通过对测量信号进行某种加工变换，削弱机械信号中的无用的冗余信号，滤除混杂的噪声干扰，或者将信号变成便于识别的形式以便提取它的特征值等。

机械信号处理的基本流程图如图3-1所示。

图3-1机械信号处理的基本流程

3.1快速傅里叶变换（FFT）

快速傅氏变换（FFT），是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。

它将原来难以处理的时域信号相对比较容易地转换成了易于分析的频域信号，可以利用一些工具对这些频域信号进行处理、加工，把信号转化为可以对其进行各种数学变化的数学公式，对其进行处理。

最后还可以利用傅立叶反变换将这些频域信号转换成时域信号，它是一种特殊的积分变换，可以将频谱图提取出来，